Земляной тепловой насос (геотермальный тепловой насос) что это такое?

Главная страница » Земляной тепловой насос (геотермальный тепловой насос) что это такое?

Геотермальный земляной тепловой насос, по сути, представляет собой систему центрального отопления земли. Энергетический механизм земного грунта поддерживает постоянное использование как накопитель (источник) тепла. Конструктивно система позволяет использовать умеренный диапазон температур грунта. За счёт этого повышается эффективность и снижаются эксплуатационные расходы традиционных систем отопления (охлаждения). Допустимо объединение земляного теплового насоса с установками сбора солнечной энергии — строительство систем высокой эффективности.

Технология геообмена для получения энергии

Земляной тепловой насос в научных кругах больше известен под другими названиями, в частности:

• геообмен (Geoexchange),
• грунтовой теплообменник,
• земная энергетическая система.

Инженеры, однако, чаще пользуются термином «земляные тепловые насосы», дабы избежать путаницы с традиционной геотермальной энергией, где используется высокотемпературный источник тепла для выработки электроэнергии.

Земляные тепловые насосы действуют по принципу сбора тепла, получаемого от Солнца и поглощаемого поверхностью Земли. Температура грунта ниже 6 метров от границы поверхности равна среднегодовой температуре воздуха для конкретной широты земного шара.

Структурная схема установки: 1 – природный земляной теплообменник на трубном петлевом замкнутом контуре; 2 (3) – тепловой насос; 4 – ресивер с горячей водой; 5 – тепло, направляемое в радиаторы или в систему тёплого пола; 6 – использование водного ресурса для хозяйственных нужд

В зависимости от параметра широты, температура под верхним слоем Земли поддерживается на постоянном уровне в диапазоне 10-16°C. Подобно холодильнику или кондиционеру, систему допустимо использовать в качестве теплового насоса для принудительной передачи тепла от грунта.

Тепловые насосы способны передавать энергию от холодной к тёплой области в противовес естественному направлению потока. Либо эти же устройства способны усиливать естественный поток тепла, направленный от теплой среды к холодной.

Общая информация по земляным тепловым насосам

На первый взгляд устройство земляного теплового насоса выглядит достаточно сложным, но фактически это относительно простая элементная база. Подобного рода установки содержат ряд подземных труб, предназначенных извлекать солнечную энергию.

Полученную солнечную энергию, в свою очередь, достаточно просто преобразовать в тепловую энергию с последующим использованием для нужд домашнего хозяйства.

Возможные конфигурации замкнутого типа на земляной тепловой насос: 1 – горизонтальное трубное поле; 2 – вертикальное трубное поле; 3 – трубное поле в области водоёма

Существуют два основных типичных исполнения земляного теплового насоса:

Рассмотрим подробнее обе конфигурации для лучшего понимания. Однако также стоит отметить – используются два типа трубного контурного исполнения – замкнутое и разомкнутое. Второй вариант считается редко применяемым.

Земляной тепловой насос — вертикальная конфигурация

Этот вариант исполнения предполагает формирование поля труб, образующих замкнутый контур. При этом трубы контура проходят в земле вертикально.

Для выполнения вертикального монтажа трубного поля в грунте бурят скважину глубиной 15–125 м (может использоваться свайный фундамент здания). Циркулирующий по трубам теплоноситель поглощает (отводит) тепло от грунта или в грунт.

Трубные пары, помещаемые в скважину, соединяются U-образными поперечинами в нижней части или состоят из двух трубок полиэтилена высокой плотности малого диаметра, термически сплавленных для образования U-образного донного изгиба.

Реальный пример скважины под сооружение вертикального земляного теплового насоса. В зависимости от мощности системы таких скважин может потребоваться несколько

Пространство между стенкой скважины и U-образными трубами обычно полностью заполнено цементирующим веществом (допускается частичное заполнение грунтовыми водами).

Скважина, как правило, заполняется бентонитовым раствором, благодаря чему обеспечивается тепловая связь с грунтом, улучшается теплопередача.

Улучшить теплопередачу помогают термически эффективные растворы. Трубные поля вертикальной петлёй обычно используются, когда площадь земли ограничена. Скважины бурят удалёнными на 5–6 м одна от другой.

Параметр глубины зависит от характеристик грунта и обслуживаемого здания. Так, отдельно взятому дому, потребляющему 10 кВт тепловой мощности, требуется три скважины глубиной 80-110 м.

Земляной тепловой насос — г оризонтальная конфигурация

Земляной тепловой насос на основе горизонтального трубного поля, соответственно предполагает создание горизонтально расположенного в земле замкнутого контура.

Для такой конфигурации необходимо рыть длинную горизонтальную траншею глубже уровня промерзания грунта. Внутри такой траншеи размещаются горизонтально U-образные или петлевые трубы.

Рытьё неглубоких горизонтальных петлевых полей земляного теплового насоса оценивается примерно вполовину стоимости относительно варианта вертикальной конфигурации.

Поэтому горизонтальный вариант устройства земляного теплового насоса считается наиболее распространённой схемой, используемой в местах с достаточным количеством свободной земли.

Практическое решение по сооружению горизонтального земляного трубного поля теплового насоса. Это одна из наиболее перспективных конструкций для частных хозяйств

Для конструкции дома, потребляющего 10 кВт тепловой мощности, требуются три траншеи, длиной 120-180 м с петлями из полиэтиленовых труб диаметром 20-32 мм. Глубина траншей должна составлять 1-2 м.

Следует отметить: глубина погружения трубного серпантина оказывает существенное влияние на потребление энергии земляным тепловым насосом. При этом отмечаются два противоположных варианта влияния:

1. Мелкие петли имеют тенденцию косвенно поглощать больше тепла от солнца, что полезно, особенно когда земля долго остаётся холодной после зимы.
2. Неглубоко положенные петли также намного легче охлаждаются в результате изменений погоды, особенно в течение долгих холодных зим, когда пики потребности в отоплении достигают максимума.

Зачастую второй эффект более выразителен, чем первый, что приводит к более высоким затратам на эксплуатацию контуров, погруженных на небольшую глубину.

Земляной тепловой насос — д ругие возможные конфигурации

Альтернативой горизонтальному размещению земляного теплового насоса может служить прокладывание системы горизонтально-направленным бурением.

Методика позволяет монтировать трубопроводы под землёй городских дворов, проездов, садов и другой инфраструктуры. При этом инфраструктурные сооружения не нарушаются, а затраты на работы остаются на среднем уровне, если сравнивать с горизонтальным и вертикальным способом устройства.

Система горизонтально-направленного бурения также отличается от горизонтальной и вертикальной конфигураций, поскольку петлевое поле состоит из одной центральной камеры, чем ещё больше сокращается рабочее пространство объекта.

Горизонтально-направленное бурение зачастую применяется уже после того, как подлежащий оснащению земляным тепловым насосом объект был построен.

Неординарный, достаточно «экзотический» вариант – использование водоёма. Однако такой проект земляного (водяного) теплового насоса также вполне может использоваться на практике

Существует также довольно необычный вариант конфигурации системы, когда тепло извлекается при помощи трубного поля, размещаемого на дне водоёмов (озёр, прудов), где масса воды достаточно велика.

Однако такого рода система относится к узкоспециализированным сооружениям и требует тщательного расчёта конструкции. Обычно расчёт проводится производителем земляного специализированного теплового насоса.

Как работает земляной тепловой насос и сколько стоит?

Принцип действия обычно основан на смеси воды и антифриза, которая закачивается в область земляного массива.

Благодаря этой смеси поглощается солнечная энергия, запасённая в массиве земле. Тепло извлекается посредством использования технологий сжатия и расширения и в качестве энергетического потенциала может применяться для отопления частного дома.

Объёмная доля собранного теплового ресурса напрямую зависит от производительности (количества труб, длины и глубины вырытых траншей), а также от характеристик почвы.

Практика показывает, что глинистая почва способна удерживать больше тепла, чем песчаная. Перед проектированием и сооружением земляного теплового насоса, как правило, выполняется тщательное изучение состояния грунта.

Согласно некоторым оценкам специалистов по энергосбережению, стоимость установки типовой системы земляного теплового насоса в частном доме на три-четыре спальни, составит около 800 000 рублей.

Между тем общепринятая «бюджетная» величина составляет примерно 1 млн. руб. за 1 кВт мощности. Для частного дома площадью 400 м² на четыре спальни, построенного в соответствии стандартам строительных норм, потребуется тепловой насос мощностью не менее 8 кВт.

Непосредственно тепловой насос оценивается в 500–600 тыс. руб. Общий баланс земляной системы включает ещё стоимость сооружения в целом. Сумма под инсталляцию нередко значительно варьируется в зависимости от условий местности.

Как работает тепловой насос «грунт-вода» — плюсы и минусы, выбор оборудования

Обновлено: 23 февраля 2021

Тепловой насос «грунт-вода» для дома

Из всех разновидностей тепловых насосов, существующих на сегодняшний день, системы «грунт-вода» имеют наибольшую эффективность. При этом, они самые дорогостоящие, требуют больших трудозатрат для создания, что существенно ограничивает популярность и распространение этих комплектов. Рассмотрим устройство систем «грунт-вода», их возможности и особенности эксплуатации. Работу теплового насоса «вода-вода» мы рассмотрели в этой статье, «воздух-вода» в этой и «воздух-воздух» здесь.

Исследования ученых показали, что на глубине около 1,5-2 м почва практически никогда не изменяет свою температуру, составляющую от 5°С, до 10°С и стабильно находящуюся в этих пределах. Это позволяет использовать ее в качестве низкопотенциального источника тепловой энергии для ТН.

Система, созданная на базе такого источника, не зависит от внешних факторов, в частности — от изменения климатических или погодных условий, понижения температуры и т. п. Единственная сложность — способ отбора тепловой энергии. Для этого используется обычная вода или (чаще) другой теплоноситель (антифриз, этиленгликоль), циркулирующий в трубах, погруженных тем или иным способом в грунт.

Основная проблема заключается в том, что для набора нужной температуры теплоноситель должен довольно длительное время находиться под землей, так как на выходе из испарителя он сильно охлаждается. Вопрос решается увеличением протяженности трубопровода, чтобы за время транспортировки потока он успевал нагреться до температуры грунта. Стабильность температуры почвы имеет очень положительное значение, так как появляется возможность отказаться от регулировки скорости циркуляции теплоносителя, настроив ее один раз при запуске системы в эксплуатацию.

Как работают тепловые насосы «земля-вода»

Конструкция ТН типа «грунт-вода» основана на обычном для подобного оборудования принципе действия холодильника (или, говоря более научным языком, на использовании цикла Карно). Нагрев теплоносителя (воды) происходит благодаря значительному повышению температуры при сильном сжатии паров хладагента (фреона), после чего производится сброс давления и испарение. При этом температура фреона сильно падает, и перед повторным циклом сжатия ее надо поднимать до рабочего значения.

Это происходит при помощи теплообмена с водой, циркулирующей под землей на глубине 30-50 см ниже уровня промерзания почвы. Устройство для такого получения тепловой энергии называется коллектором и представляет собой довольно обширный котлован глубиной 1,5-2 метра, в котором уложен трубопровод с теплоносителем и засыпан слоем грунта.

Другой вариант — вода циркулирует в скважине глубиной около 50-70 м, куда опущена петля из полиэтиленового трубопровода. Всего существует три типа подземных теплообменников:

• вертикальный зонд (петля из трубы)
• энергетическая свая (техническое сооружение или устройство, использующее способ зонда, но более эффективное и получающее большую тепловую мощность)
• плоский коллектор

Все способы получения тепловой энергии грунта имеют свои достоинства и недостатки, о чем будет сказано позже.

Тепловой насос — это два теплообменника, работающие в параллельном режиме, соединенные между собой компрессором, повышающим давление на входе в конденсатор (теплообменник №1) и дросселем, сбрасывающим давление на входе в испаритель (теплообменник №2).

Конструктивно это два отделения, каждое из которых обеспечивает половинный цикл Карно. Фреон, циркулирующий в системе по замкнутому циклу, отдает тепловую энергию в систему отопления и ГВС дома, восполняя ее теплом, отобранным от грунта теплоносителем из скважины или коллектора. Оба отделения могут располагаться в одном корпусе, или быть установлены на расстоянии друг от друга, главное условие — стабильность работы и отсутствие потерь при следовании хладагента из одного теплообменника в другой.

Достоинства и недостатки

Достоинства систем «грунт-вода»:

• стабильная и не зависящая ни от каких факторов температура источника тепловой энергии, обеспечивающая высокую эффективность комплекса
• возможность использования систем в сложных климатических условиях, регионах с низкими зимними температурами
• надежность и устойчивость работы системы
• высокая долговечность грунтового теплообменника
• универсальность работы системы — помимо отопления возможна организация ГВС дома

Существуют и недостатки:

• высокая стоимость оборудования, большие трудозатраты на создание коллекторов или бурение скважин. В сочетании с общей дороговизной оборудования, такая система потребует финансовых вложений в 4-5 раз превышающих расходы на теплонасосы воздушного типа
• большие объемы земляных работ, требующих либо больших площадей, либо бурения глубоких скважин. В обоих случаях вопрос упирается в административные проблемы, необходимость получения разрешений на использование земли и т.д.

Еще одна проблема — вымораживание участка земли, используемого под коллектор. Холодный фреон существенно охлаждает грунт, нарушая естественный температурный режим, что отрицательно сказывается на растениях. Вопрос решается погружением трубопроводов на большую глубину, но это автоматически увеличивает расходы.

Сложности с получением разрешений и большие трудозатраты являются причинами отказа большинства пользователей от идеи установить теплонасос «грунт-вода», хотя при наличии возможностей распространение этого типа ТН было бы гораздо шире.

Расчет мощности установки

Произвести полноценный расчет установки для неопытного человека, не имеющего специального образования — непосильная задача. Даже профессионалы испытывают немалые затруднения при выполнении расчетов, так как в процессе принимают участие многие факторы, которые необходимо учесть. Поэтому для предварительной оценки параметров теплового насоса надо либо обращаться к специалистам, что очень дорого (и надо их еще отыскать), либо использовать онлайн-калькулятор, способный заменить профессионалов совершенно бесплатно.

Можно также обойтись простыми прикидками.

Например, для подсчета площади, необходимой под коллектор, надо отапливаемую площадь умножить на 2 (для дома в 100 м 2 площадь коллектора составит 100 × 2 = 200 м 2 ). Подсчитать примерную мощность теплового насоса можно, принимая 0,7 кВт на каждые 10 м 2 площади (для дома площадью 100 м 2 потребуется система мощностью 7 кВт). По этим параметрам можно выбирать подходящее оборудование.

Топ-5 лучших насосов

Приобретение готового комплекта — дорогостоящее мероприятие. Стоимость теплового насоса относительно невысокой мощности начинается от 8000 долларов, а для крупных систем, сочетающих обогрев и ГВС, цена поднимется гораздо выше.

Подбор конкретной модели производится исходя из потребностей дома и возможностей владельца, поэтому рекомендовать какое-либо устройство нет смысла. Однако, обладая информацией о наиболее известных производителях, можно определиться в своих предпочтениях и ограничить выбор самыми лучшими фирмами.

Рассмотрим их подробнее:

FHP (США)

Надежное и экономичное оборудование от лидера среди производителей тепловых насосов.

MECMASTER ENERGI AB (Швеция)

Компания, создающая тепловое оборудование с 60-х годов прошлого века и имеющая собственные традиции, разработки и изобретения в этой сфере.

Avenir Energie (Франция)

Фирма, лидирующая среди подобных компаний и создающая широкий модельный ряд тепловых насосов.

Steinmann (Швейцария)

Традиционное европейское качество, полная сертификация всего оборудования и методик обогрева.

Viessmann (ЕС, Китай)

Компания, делающая серьезные заявки на лидерство среди основных производителей тепловых насосов.

Перечисленные производители являются самыми заметными среди большого количества продавцов теплонасосов, полный перечень изготовителей подобного оборудования привести попросту невозможно.

Рекомендуемое оборудование

Стоимость установки

Монтаж системы обойдется в сумму, начинающуюся от 2000 долларов.

Этот предел подтверждают все специалисты, причем, все варианты упираются в состав и качество грунта, наличие монолитных горных пород или водоносных горизонтов. Чем выше сложность земляных работ, тем больше придется заплатить за создание отопительной системы, поэтому большинство пользователей пытается решать вопрос самостоятельно, по мере своих возможностей.

Как сделать тепловой насос «грунт-вода» своими руками

Цены на готовое оборудование таковы, что для большинства пользователей приобретение попросту недоступно. Пойти на такие расходы может только очень обеспеченный человек, но решением вопроса вполне может стать самостоятельное изготовление теплонасоса. В этом случае расходы упадут почти до нуля, но придется изрядно повозиться и побегать по инстанциям, чтобы получить разрешение на производство земляных работ. Если все вопросы административного порядка не являются проблемой, можно приступать к работам.

Бурение скважины

Создание коллектора или бурение скважины являются операциями, которые крайне сложно выполнить своими руками. Для этих работ приглашают специалистов с необходимой техникой. Все действия выполняются согласно заранее рассчитанным параметрам, в готовую скважину или коллектор погружается трубопровод, производятся все остальные действия. В результате должны остаться лишь два конца трубы, выходящие из земли или скважины. Впоследствии они будут присоединены к испарителю теплового насоса. После этого приступают к созданию контура с хладагентом.

Расчеты и сделать рабочие чертежи

Прежде всего, необходимо произвести расчеты и сделать рабочие чертежи. Предстоит большой объем работ, выполнять их наугад нецелесообразно. Создание проекта поможет тщательно продумать все рабочие моменты, позволит вовремя обнаружить ошибки и просчеты.

Купить оборудование

Вторым шагом станет приобретение всех элементов системы, которые изготовить самостоятельно нельзя. К ним можно отнести компрессор, блоки управления, насосы и прочие узлы системы.

Сборка теплонасоса

После этого приступают к непосредственному созданию теплонасоса. Для изготовления конденсатора потребуется бак из нержавейки объемом около 120 л. Бак разрезается в продольном направлении, впоследствии половинки надо будет сварить между собой, поэтому резать надо максимально аккуратно. Внутрь этого бака надо установить змеевик из медной трубки таким образом, чтобы жидкость, проходящая по ней, не могла смешиваться с содержимым бака.

Для изготовления змеевика трубку наматывают на отрезок трубы или иной предмет круглого сечения с подходящим диаметром. В верхней и нижней частях бака делаются по 2 отверстия для входа и выхода змеевика и теплоносителя из системы отопления дома.

Испаритель делается подобным образом, только объем бака надо брать меньше — около 80 л. Иногда вместо металлического бака используют пластиковые емкости, чтобы снизить образование конденсата на стенках.

Подключение компрессора

Для установки и подключения компрессора рекомендуется обратиться к специалисту по холодильным установкам. При создании фреонового контура надо учитывать разные мелочи и нюансы, которые известны только опытным мастерам. Самостоятельное выполнение пайки контура грозит появлением неточностей и ошибок, которые впоследствии обязательно дадут о себе знать. Кроме того, понадобится закачать в систему фреон, что также следует поручить опытному специалисту.

Система трубопроводов

Собранный контур присоединяется к системе трубопроводов со стороны испарителя и к системе отопления дома со стороны конденсатора. Эти работы довольно просты и доступны для самостоятельного выполнения. Подключается блок управления системой, после чего собранный тепловой насос запускается, проверяется на работоспособность, при необходимости производится исправление ошибок и устранение всех обнаруженных изъянов. Если никаких нареканий не имеется, то эксплуатация оборудования продолжается в рабочем режиме.